如何遏制隱形殺手，為煤礦安全“減壓”

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據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有329個(gè)沖擊地壓礦井，其中正在開采的253個(gè)，分布于26個(gè)省（自治區(qū)）。

層析成像（CT）預(yù)警技術(shù)的原理就像做CT檢查，通過(guò)人工主動(dòng)激發(fā)震源，或巖層破裂引發(fā)的震動(dòng)（被動(dòng)震源），來(lái)反演煤巖體內(nèi)的波速分布狀態(tài)，并基于波速與應(yīng)力的關(guān)系，建立沖擊危險(xiǎn)的CT預(yù)警指標(biāo)與準(zhǔn)則。

當(dāng)前煤礦沖擊地壓防治工作存在三大主要問(wèn)題，首要問(wèn)題就是“部分煤礦企業(yè)對(duì)沖擊地壓災(zāi)害認(rèn)識(shí)不清、重視不夠”，在防沖理念、投入、管理、措施等方面有較大差距。

“這就是我們團(tuán)隊(duì)建設(shè)的沖擊地壓智能遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，也是國(guó)內(nèi)最早的沖擊地壓遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。大概10年前，竇林名教授提出建設(shè)監(jiān)控平臺(tái)，很多人還不太理解，現(xiàn)在看來(lái)確有先見之明。”近日，在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)沖擊地壓研究中心，該校礦業(yè)工程學(xué)院曹安業(yè)教授向《中國(guó)煤炭報(bào)》記者介紹說(shuō)。

沖擊地壓是我國(guó)煤礦重大自然災(zāi)害之一，號(hào)稱比地震更難預(yù)測(cè)的“隱形殺手”。以竇林名教授為首的中國(guó)礦大沖擊地壓研究中心團(tuán)隊(duì)，專注于沖擊地壓研究30余年，從機(jī)理、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)到防治，形成了一套包括理論、技術(shù)方法與裝備的完整體系。

由該團(tuán)隊(duì)引進(jìn)的波蘭SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及研發(fā)的沖擊地壓智能綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)與平臺(tái)，自2006年首次在華亭硯北煤礦和臨沂古城煤礦安裝運(yùn)用以來(lái)，已在國(guó)內(nèi)外70多個(gè)礦井發(fā)揮“警鈴”作用，讓“隱形殺手”不再肆意任行。

1 隱形殺手，比地震更難預(yù)測(cè)

今年6月9日，吉林省龍家堡礦業(yè)公司發(fā)生沖擊地壓事故，9人死亡、12人受傷；去年10月20日，山東龍鄆煤業(yè)有限公司發(fā)生沖擊地壓事故，21人死亡、1人受傷……因礦難事故，沖擊地壓這個(gè)詞近年來(lái)不時(shí)挑動(dòng)社會(huì)各界的神經(jīng)。

沖擊地壓，又稱“沖擊礦壓”，非煤礦山領(lǐng)域稱為“巖爆”，是指井巷或工作面周圍巖體，由于彈性變形的瞬時(shí)釋放而產(chǎn)生的突然、劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象，常伴隨巨響和巖體拋出等。

在我國(guó)，沖擊地壓最早于1933年發(fā)生在撫順勝利煤礦。近年來(lái)，隨著煤礦開采深度和強(qiáng)度增加，沖擊地壓發(fā)生頻率和危害程度呈逐年上升趨勢(shì)，已成為深部資源開采面臨的主要災(zāi)害之一。

“這是我們統(tǒng)計(jì)的部分礦區(qū)1998年到2011年沖擊地壓的案例，2004年只有幾起，2011年達(dá)幾百起。”曹安業(yè)說(shuō)，“我是2004年上的研究生，那時(shí)還挺閑，后來(lái)越來(lái)越忙。”

曹安業(yè)告訴記者，相對(duì)于瓦斯事故，早期我國(guó)煤礦沖擊地壓事故比較少，但2007年后問(wèn)題逐漸嚴(yán)重，主要因?yàn)殚_采深度、強(qiáng)度變化，管理手段跟不上，誘發(fā)沖擊的因素更加復(fù)雜多樣。

“2012年后，我國(guó)煤礦平均開采深度已超過(guò)600米，并且以每年10米至15米的速度向下延伸，應(yīng)力水平越來(lái)越高，但在管理上，傳統(tǒng)的支護(hù)手段、巷道布置等，已不能適應(yīng)強(qiáng)擾動(dòng)的開采需求。”曹安業(yè)說(shuō)。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有329個(gè)沖擊地壓礦井，其中正在開采的253個(gè)，分布于26個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū)）。有沖擊地壓危險(xiǎn)的礦區(qū)從過(guò)去的北京、撫順、阜新、棗莊、開灤、大同、徐州、義馬、兗州等，擴(kuò)大到華亭、新疆、咸陽(yáng)、鄂爾多斯、寧夏等礦區(qū)。

例如山東，沖擊地壓礦井和千米礦井?dāng)?shù)量均居全國(guó)之首。以兗州礦區(qū)某礦為例，該礦自1997年開始出現(xiàn)礦震現(xiàn)象，2004年山東省地震局開始對(duì)其進(jìn)行礦震監(jiān)測(cè)，僅2004年11月至2005年8月期間，就記錄礦震1410條，最高日頻次40條，其中3級(jí)以上強(qiáng)礦震發(fā)生了13次，最高達(dá)3.7級(jí)。

為何被喻為“隱形殺手”？這與沖擊地壓本身特性有關(guān)。一是突發(fā)性。沖擊地壓的發(fā)生常常無(wú)征兆，過(guò)程短暫，持續(xù)時(shí)間幾秒到幾十秒，難以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)和強(qiáng)度。二是瞬時(shí)震動(dòng)性。爆炸震動(dòng)強(qiáng)烈，波及范圍可達(dá)幾公里甚至幾十公里，嚴(yán)重時(shí)地表有震感。三是破壞性。發(fā)生沖擊地壓時(shí)，大量煤體被拋出，巷道變形，支護(hù)被破壞，嚴(yán)重時(shí)造成人員傷亡事故。四是復(fù)雜性。從薄煤層到特厚煤層，從近水平到近直立，從炮采到綜采，從垮落到充填，各種地質(zhì)條件、不同采煤方法都發(fā)生過(guò)沖擊地壓。

和這樣一個(gè)“隱形殺手”斗智斗勇多年，該團(tuán)隊(duì)的成員對(duì)沖擊地壓都有切身體會(huì)。

“有次，我和竇老師一起去山東某礦調(diào)研，井深1500米，工作面剛布置好，還沒(méi)生產(chǎn)。在井下正走著，突然聽到砰的一聲，像爆炸，我心里猛顫，但看到老師沒(méi)動(dòng)靜，我也只好故作鎮(zhèn)靜。”團(tuán)隊(duì)成員、中國(guó)礦大礦業(yè)工程學(xué)院博士后李許偉想起下井時(shí)的情形，記憶猶新。

團(tuán)隊(duì)成員、中國(guó)礦大礦業(yè)工程學(xué)院何江副教授遇到的情況更嚴(yán)重：“有一次，在東北某礦下井，走在巷道中砰的一聲，煤就像冰雹一樣嘩嘩下來(lái)了。學(xué)生是無(wú)知者無(wú)畏，老師則讓我們趕緊撤離。”

沖擊地壓的可怕之處還在于，容易引發(fā)瓦斯爆炸等次生災(zāi)害。2003年，安徽淮北蘆嶺煤礦“5·13”頂板沖擊震動(dòng)，引發(fā)采空區(qū)瓦斯爆炸，造成86人死亡。2005年，遼寧阜新孫家灣“2·14”沖擊地壓—瓦斯爆炸事故，造成214人死亡。

為什么沖擊地壓比地震更難預(yù)測(cè)？“因?yàn)橛绊懸蛩靥貏e多，比如，采深、地質(zhì)構(gòu)造、頂板巖層、采掘干擾等。”曹安業(yè)解釋說(shuō)。因此，在沖擊地壓的機(jī)理研究上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從強(qiáng)度、剛度、能量等不同角度提出過(guò)一系列理論。其中，包括竇林名提出利用煤層和頂?shù)装宓膭偠茸鳛橹笜?biāo)，揭示了沖擊地壓的發(fā)生應(yīng)同時(shí)滿足相應(yīng)的剛度、強(qiáng)度與能量條件。

但由于沖擊地壓?jiǎn)栴}的復(fù)雜性，影響因素眾多，目前還無(wú)法用單一理論解釋所有的沖擊地壓現(xiàn)象，所以它至今仍是巖石力學(xué)和采礦工程中最困難的研究課題之一。

“在國(guó)外某礦防沖工程實(shí)施時(shí)，老外說(shuō)，你們要把這個(gè)問(wèn)題徹底搞清楚了，就能得諾貝爾獎(jiǎng)。”團(tuán)隊(duì)成員、中國(guó)礦大礦業(yè)工程學(xué)院鞏思園副研究員笑言。

2 遠(yuǎn)程“把脈”，釋放看不見的壓力

事實(shí)上，世界上幾乎所有國(guó)家都不同程度地受到?jīng)_擊地壓的威脅。1738年，英國(guó)在世界上首先報(bào)道煤礦中發(fā)生的沖擊地壓現(xiàn)象，此后在蘇聯(lián)、波蘭、南非、德國(guó)、美國(guó)等幾十個(gè)國(guó)家地區(qū)，都發(fā)生過(guò)沖擊地壓現(xiàn)象。

由于沖擊地壓破壞后果的嚴(yán)重性和發(fā)生機(jī)制的復(fù)雜性，國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)專門成立了沖擊地壓研究小組。在我國(guó)，幾十年來(lái)，以竇林名教授為首的中國(guó)礦大研究團(tuán)隊(duì)在沖擊地壓機(jī)理、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和防治多個(gè)研究領(lǐng)域，深耕細(xì)作砥礪前行，取得了顯著成績(jī)，開創(chuàng)了眾多全國(guó)乃至世界第一。

1999年，江蘇徐州三河尖煤礦的一個(gè)工作面發(fā)生了5次沖擊地壓顯現(xiàn)。竇林名帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)深入現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，利用電磁輻射技術(shù)進(jìn)行研究，最終提出了煤巖動(dòng)力災(zāi)害的電磁輻射機(jī)理。這也是該團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)外第一次提出采用電磁輻射技術(shù)監(jiān)測(cè)預(yù)警沖擊地壓危險(xiǎn)。

除此以外，該團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)率先提出了動(dòng)靜載疊加誘沖理論、煤巖體沖擊破壞的沖能原理、巷道圍巖的強(qiáng)弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)效應(yīng)、沖擊地壓的強(qiáng)度弱化減沖原理等。

在長(zhǎng)期實(shí)踐中，他們還開發(fā)了電磁輻射技術(shù)、區(qū)域性微震監(jiān)測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)、層析成像（CT）預(yù)警技術(shù)、雙震源一體化CT應(yīng)力探測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)。其中，微震監(jiān)測(cè)及CT預(yù)警技術(shù)最具代表性。

曹安業(yè)告訴記者，層析成像（CT）預(yù)警技術(shù)的原理就像做CT檢查，通過(guò)人工主動(dòng)激發(fā)震源，或巖層破裂引發(fā)的震動(dòng)（被動(dòng)震源），來(lái)反演煤巖體內(nèi)的波速分布狀態(tài)，并基于波速與應(yīng)力的關(guān)系，建立沖擊危險(xiǎn)的CT預(yù)警指標(biāo)與準(zhǔn)則。

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自2006年在華亭硯北煤礦和臨沂古城煤礦首次安裝以來(lái)，已在國(guó)內(nèi)外70多個(gè)煤礦運(yùn)用。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)建設(shè)了沖擊地壓智能綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，這也是全球最早最大的沖擊地壓遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

“大概10年前，竇老師提議建設(shè)平臺(tái)時(shí)，包括我這個(gè)負(fù)責(zé)具體建設(shè)工作的，都不知道大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)放這里有什么用，現(xiàn)在明白了，沒(méi)有大數(shù)據(jù)怎么搞防沖智能化？”提到平臺(tái)建設(shè)初衷，鞏思園感慨萬(wàn)千。

加入平臺(tái)后，每個(gè)煤礦在調(diào)度室都能看到礦井微震能量釋放情況及沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)。一旦接到預(yù)警通知，煤礦可以及時(shí)安排撤人，并采取卸壓等措施誘發(fā)能量釋放，避免安全事故。目前，該技術(shù)已走出國(guó)門，在孟加拉國(guó)、波蘭等國(guó)的煤礦應(yīng)用。

近年來(lái)，孟加拉國(guó)巴拉普庫(kù)利亞煤礦遇到了采掘難題。該礦是孟加拉國(guó)第一座現(xiàn)代化煤礦，支撐當(dāng)?shù)?/3的煤電項(xiàng)目，但由于開采過(guò)度形成了塌陷，沖擊地壓災(zāi)害凸顯。因此，20萬(wàn)噸孤島煤柱如何開采，成了難題。

得知這一情況后，鞏思園、李許偉等團(tuán)隊(duì)成員前往孟加拉國(guó)現(xiàn)場(chǎng)，分析探測(cè)并提出相應(yīng)的防治方案，最終20萬(wàn)噸資源實(shí)現(xiàn)安全開采，受到孟加拉國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人的稱贊。

據(jù)悉，僅2015年至2017年，部分采用該團(tuán)隊(duì)技術(shù)的煤礦就實(shí)現(xiàn)同比新增安全煤量3962萬(wàn)噸，新增銷售額161億元。

“前兩天還有企業(yè)和我們聯(lián)系，說(shuō)經(jīng)過(guò)反復(fù)考察，想上這個(gè)平臺(tái)。”鞏思園說(shuō)，“前期的研究成果能在井下應(yīng)用，解決了現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題，得到越來(lái)越多企業(yè)的認(rèn)可，大家都非常自豪，也希望做更多的事情。”

今年6月1日，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)與安徽理工大學(xué)簽約合作，共建沖擊地壓防治工程研究中心，希望通過(guò)共同建設(shè)沖擊地壓防治科研平臺(tái)，力爭(zhēng)在沖擊地壓關(guān)鍵基礎(chǔ)理論、監(jiān)測(cè)預(yù)警、治理支護(hù)技術(shù)及裝備等方面研究形成成套技術(shù)裝備體系，培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新人才，深度解決我國(guó)煤礦沖擊地壓災(zāi)害的難防難測(cè)問(wèn)題。

目前，該團(tuán)隊(duì)部分研究成果已被納入新版《煤礦安全規(guī)程》《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》《沖擊地壓測(cè)定、監(jiān)測(cè)與防治方法》等國(guó)家規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中。

憑著優(yōu)異的研究成果，該團(tuán)隊(duì)曾先后獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)18項(xiàng)；獲省部級(jí)人才稱號(hào)等8人次；全國(guó)百篇優(yōu)博1篇、江蘇省優(yōu)博5篇。此外，該團(tuán)隊(duì)還出版著作12部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文300余篇，獲得專利及軟件著作權(quán)50余項(xiàng)。

3源頭防治，最難攻克的不是技術(shù)是觀念

影響煤礦沖擊地壓的因素多且極復(fù)雜，目前發(fā)生機(jī)理尚未研究透徹。隨著礦井深度強(qiáng)度增加，沖擊地壓與其他災(zāi)害耦合疊加，防治難度進(jìn)一步加大。今年5月，國(guó)家發(fā)改委等四部門發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)煤礦沖擊地壓源頭治理的通知》指出，全國(guó)現(xiàn)有沖擊地壓礦井產(chǎn)能約4億噸/年，2/3分布在煤炭?jī)粽{(diào)入省份。

為了加強(qiáng)煤礦沖擊地壓防治，國(guó)家煤監(jiān)局分別于去年5月、今年5月，印發(fā)《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》《關(guān)于加強(qiáng)煤礦沖擊地壓防治工作的通知》，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域工作細(xì)化規(guī)定、明確要求。

“每一條規(guī)程的改變、細(xì)化，背后幾乎都有血的教訓(xùn)。”鞏思園說(shuō)。

例如，《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》第六十七條明確要求， “采用爆破卸壓時(shí)，必須編制專項(xiàng)安全措施，起爆點(diǎn)及警戒點(diǎn)到爆破地點(diǎn)的直線距離不得小于300米，躲炮時(shí)間不得小于30分鐘”。“從150米改到300米，就是因?yàn)?010年有個(gè)事故是躲炮距離不夠造成的。300米不能絕對(duì)保證不出事，但起碼安全系數(shù)更高。”鞏思園解釋說(shuō)。

今年5月，國(guó)家煤監(jiān)局副局長(zhǎng)桂來(lái)保就《關(guān)于加強(qiáng)煤礦沖擊地壓防治工作的通知》答記者問(wèn)時(shí)指出，當(dāng)前煤礦沖擊地壓防治工作存在三大主要問(wèn)題。首要問(wèn)題就是“部分煤礦企業(yè)對(duì)沖擊地壓災(zāi)害認(rèn)識(shí)不清、重視不夠”，在防沖理念、投入、管理、措施等方面有較大差距。

“有些礦真是讓你恨得牙癢癢，明知有危險(xiǎn)還繼續(xù)作業(yè)。出了事后，特別聽話，一聽說(shuō)礦大老師發(fā)預(yù)警單了，趕緊撤人。”談到煤礦防范意識(shí)的落后，鞏思園深有感觸。

防治措施不落實(shí)、安全風(fēng)險(xiǎn)管控不到位是沖擊地壓防治工作中存在的另外兩大問(wèn)題。桂來(lái)保指出，部分煤礦缺乏源頭治理理念，礦井設(shè)計(jì)、采場(chǎng)布局、采掘部署、煤柱留設(shè)等不科學(xué)，工作面跳采和不合理的煤柱留設(shè)人為導(dǎo)致應(yīng)力集中。

“巷道是平行還是交叉布置，有學(xué)問(wèn)在里面，采掘距離過(guò)近，應(yīng)力就會(huì)疊加影響。在2016年之前，很多沖擊地壓就是采掘不合理造成的。所以《煤礦安全規(guī)程》對(duì)采掘工作面之間的安全距離做了明確規(guī)定。”曹安業(yè)解釋說(shuō)。

通過(guò)研究挖掘機(jī)理原因，通過(guò)規(guī)章制度約束行為，在科研院所和政府部門的共同努力下，煤礦企業(yè)的沖擊地壓防治意識(shí)有了增強(qiáng)，防治水平有了提升。

“人的思想觀念很難改變，我們就鍥而不舍，一個(gè)月不行，兩個(gè)月，一年不行，兩年，推動(dòng)企業(yè)按照科學(xué)合理的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)、管理。”鞏思園舉例說(shuō)，“甘肅華亭礦區(qū)發(fā)生過(guò)沖擊地壓事故，知道危害了，從設(shè)計(jì)時(shí)就注意防沖?，F(xiàn)在，到井下一看，那巷道，漂亮！他們把變電所都搬到2000米以外的地方，巷道按標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，和以前差別太大了。”

曹安業(yè)表示，總體而言，目前沖擊地壓防治工作要按照“區(qū)域先行、局部跟進(jìn)、分區(qū)管理、分類防治”十六字方針進(jìn)行。

“沖擊地壓防治和地震不一樣，沖擊地壓可以通過(guò)分析區(qū)域應(yīng)力集中情況，事先采取卸壓措施，在設(shè)計(jì)時(shí)就提前化解。”團(tuán)隊(duì)成員、中國(guó)礦大礦業(yè)工程學(xué)院李小林講師介紹說(shuō)，進(jìn)入5G時(shí)代后，井下網(wǎng)絡(luò)更完善，應(yīng)力情況等相關(guān)數(shù)據(jù)可以快速傳輸，更利于提前設(shè)計(jì)布局、源頭治理。

“從技術(shù)手段看，深孔斷頂爆破、定向水力致裂都是比較常用的，相對(duì)而言，水力致裂不受炸藥管控限制，更適合大范圍推廣。”曹安業(yè)說(shuō)。

何江表示，防治沖擊地壓，大多數(shù)技術(shù)手段都是公開的，但怎么用好很關(guān)鍵，不同礦有不同的地質(zhì)條件，就像老中醫(yī)把脈，需要針對(duì)性分析。

“大部分的沖擊地壓?jiǎn)栴}是可以解決的，但光有設(shè)備和技術(shù)不夠，還要通過(guò)安全管理、個(gè)體防護(hù)等。比如，人員避讓才能最大限度避免事故。”曹安業(yè)說(shuō)。因此，《關(guān)于加強(qiáng)煤礦沖擊地壓源頭治理的通知》強(qiáng)調(diào)要超前預(yù)防、源頭管控，明確提出“把防治沖擊地壓貫穿于勘探、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和生產(chǎn)管理各環(huán)節(jié)，全過(guò)程防范事故風(fēng)險(xiǎn)”。

另外，國(guó)家有關(guān)部門也明確提出，要支持建設(shè)沖擊地壓防治國(guó)家級(jí)科技創(chuàng)新平臺(tái)，推進(jìn)沖擊地壓基礎(chǔ)理論研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，提升沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警、煤礦智能化開采等技術(shù)裝備水平，支持煤礦安全技術(shù)改造和沖擊地壓等重大災(zāi)害治理，保障沖擊地壓防治資金投入。

相關(guān)鏈接

目前，沖擊地壓研究主要集中在沖擊地壓機(jī)理、沖擊地壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)與沖擊地壓治理三個(gè)方面。

沖擊地壓機(jī)理方面，各國(guó)學(xué)者提出了一系列理論，包括強(qiáng)度、剛度、能量、沖擊傾向、三準(zhǔn)則和變形系統(tǒng)失穩(wěn)等理論。

沖擊地壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法主要分為兩類：一是采礦方法，包括根據(jù)采礦地質(zhì)條件確定沖擊地壓危險(xiǎn)性的鉆屑法、綜合指數(shù)法等，二是采礦地球物理方法，包括微震法、聲發(fā)射法、電磁輻射法等。

沖擊地壓治理主要從戰(zhàn)略性防御和主動(dòng)解危兩個(gè)方面進(jìn)行。戰(zhàn)略性防御包括開采解放層等，主動(dòng)解危包括卸壓爆破、煤層注水、鉆孔卸壓、定向裂縫法等。